DE102022209420A1

DE102022209420A1 - Array für eine mikrofluidische Vorrichtung, mikrofluidische Vorrichtung und Verfahren zu ihrem Betrieb.

Info

Publication number: DE102022209420A1
Application number: DE102022209420.4A
Authority: DE
Inventors: Anja Lippert; Aaron Doerr; Julian Kassel; Ronny Leonhardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-09
Filing date: 2022-09-09
Publication date: 2024-03-14
Also published as: WO2024052362A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Array (20) für eine mikrofluidische Vorrichtung (10), aufweisend Vertiefungen (21), die in parallelen Reihen (22, 23) in einer Seite des Arrays (20) gebildet sind. Die Seite weist in benachbarten Reihen (22, 23) jeweils mindestens eine unterschiedliche Oberflächeneigenschaft auf. Die mikrofluidische Vorrichtung (10) weist mindestens eine Arraykammer (12) auf, in der das Array (20) so angeordnet ist, dass die Reihen (22, 23) parallel zu einer Strömungsrichtung (31) eines Fluids (30) verlaufen. Beim Betreiben der mikrofluidischen Vorrichtung (10) wird ein Fluid (30) so durch die Arraykammer (12) geführt, dass es entlang der Reihen (22, 23) über die Seite des Arrays (20) strömt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Array für eine mikrofluidische Vorrichtung. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine mikrofluidische Vorrichtung, welche das Array aufweist. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der mikrofluidischen Vorrichtung.
Stand der Technik
Mikrofluidische Analysesysteme, die auch als Lab-on-Chip-Systeme bezeichnet werden, erlauben ein automatisiertes Prozessieren chemischer oder biologischer Proben für die medizinische Diagnostik. Um mehrere Analysen mit einer einzigen Probe durchführen zu können, weisen sie hierzu häufig ein Array auf, das mehrere sacklochförmige Vertiefungen mit vorgelagerten eingetrockneten Reagenzien aufweist. Das Array wird mit einer Reaktionsflüssigkeit überspült und die Vertiefungen, die auch als Wells bezeichnet werden, auf diese Weise befüllt. Anschließend können die Vertiefungen mittels einer Versiegelungsflüssigkeit gegeneinander isoliert werden. Dies wird beispielsweise in der DE 10 2018 204 624 A1 beschrieben.
Nach dem Einbringen der Versiegelungsflüssigkeit laufen in den Vertiefungen chemische Reaktionen zwischen der Reaktionsflüssigkeit und den dort vorgelagerten Reagenzien ab. Die Kammer, in der das Array angeordnet ist, ist optisch zugänglich. Die Ergebnisse der Reaktionen können somit mittels eines optischen Sensors ausgewertet werden.
Offenbarung der Erfindung
Das Array für eine mikrofluidische Vorrichtung besteht insbesondere aus Silizium, welches seinen Grundkörper bildet. Es weist eine Seite mit mehreren Vertiefungen auf, die sich in den Grundkörper des Arrays hinein erstrecken und in welchen insbesondere Reagenzien angeordnet sind. Die Vertiefungen sind in parallelen Reihen angeordnet. Die Seite mit den Vertiefungen ist dazu vorgesehen, in der mikrofluidischen Vorrichtung von einer Reaktionsflüssigkeit überspült zu werden. Sie wird deshalb in der mikrofluidischen Vorrichtung als Oberseite angeordnet.
Die Befüllung der Vertiefungen muss auf reproduzierbare und kontrollierte Weise erfolgen. Besonders wichtig ist es, dass es zwischen den einzelnen Vertiefungen zu keinem sogenannten Quersprechen kommt. Als Quersprechen wird das Phänomen bezeichnet, bei dem durch Querströmungen bereits befüllte Vertiefungen wieder ausgespült werden und sich die darin vorgelagerten Reagenzien dadurch auf dem gesamten Array verteilen. Das Herausspülen und Verteilen der Reagenzien kann zu ungewünschten chemischen Reaktionen führen, welche die optischen Messungen verfälschen oder unbrauchbar machen.
Nur durch das Verhindern des Quersprechens kann sichergestellt werden, dass chemische Reaktionen in den Vertiefungen reproduzierbar und mit hinreichender Ausbeute ablaufen. Entscheidend für die Befüllung der Vertiefungen ist das definierte Fortschreiten der Grenzfläche zwischen Luft und einem Reaktionsgemisch auf dem Array oder zweier sich unterscheidender und nacheinander einströmender Fluide. Dieses Fortschreiten wird maßgeblich von geometrischen Maßabweichungen und lokalen Oberflächeneigenschaften des Arrays, von den Konturen der Vertiefungen, sowie von Eigenschaften der Anströmung des Arrays beeinflusst. Diese können zu unvorhergesehen Schwankungen in der Bewegung der Grenzfläche führen und damit Querbewegungen auslösen. Zusätzlich kann es beispielsweise zu einer verstärkten Benetzung entlang der Mittelachse des Arrays und/oder zu einer verstärkten seitlichen Benetzung kommen, wodurch die Gefahr von Lufteinschlüssen in angrenzenden Ecken einer Arraykammer, in der das Array angeordnet ist, sowie einer unvollständigen Benetzung des Arrays besteht.
Es ist vorgesehen, dass die Seite des Arrays, welche die Vertiefungen aufweist, in benachbarten Reihen jeweils mindestens eine unterschiedliche Oberflächeneigenschaft aufweist. Dadurch wird eine Vergleichmäßigung einer Fluidströmung über das Array erreicht und das Ausformen einer planaren Kontaktlinie begünstigt, indem die Kontaktlinie lokal definiert gebrochen und gelenkt wird. Hierdurch kann das Quersprechen zwischen einzelnen Vertiefungen während des Überströmens minimiert werden, wodurch die Ausbringungsgüte der optischen Analyse verbessert wird oder gar erst ermöglicht wird, wenn das Quersprechen dazu führt, dass Messungen nicht durchführbar sind.
Vorzugsweise setzen sich auch in Bereichen der Seite des Arrays, in der die Vertiefungen ausgeformt sind, in denen sich keine Vertiefungen befinden, die Reihen mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften fort. Dies verringert den Einfluss benachbarter Wände einer Arraykammer auf einen Analysenbereich des Arrays.
Bevorzugt gehören die Reihen abwechselnd einer ersten Gruppe und einer zweiten Gruppe an. In den Reihen der ersten Gruppe weist die Seite des Arrays, in der die Vertiefungen ausgeformt sind, mindestens eine erste Oberflächeneigenschaft auf. In den Reihen der zweiten Gruppe weist diese Seite mindestens eine zweite Oberflächeneigenschaft auf, die sich von der ersten Oberflächeneigenschaft unterscheidet. Ein solches gleichmäßiges Muster von sich abwechselnden Reihen mit zwei unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften oder zwei unterschiedlichen Gruppen von Oberflächeneigenschaften bewirkt eine besonders ausgeprägte Vergleichmäßigung der Strömung.
Eine Oberflächeneigenschaft ist vorzugsweise einer Oberflächenrauigkeit. Die Oberflächenrauigkeit, die auch als Oberflächenrauheit bezeichnet wird, kann mittels unterschiedlicher Prüfverfahren, wie beispielsweise der Konfokaltechnik der konoskopischen Holografie der Weißlichtinterferometrie oder der Fokusvariation ermittelt werden. Die Methode zur Ermittlung der Oberflächenrauigkeit kann frei gewählt werden, wobei sich unabhängig von der gewählten Methode eine unterschiedliche Oberflächenrauigkeit in benachbarten Reihen ergeben sollte. Eine Veränderung der Oberflächenrauigkeit ist beispielsweise mittels Ätzen der Seite des Arrays möglich. Die Oberflächenrauigkeit beeinflusst die Hydrophilie beziehungsweise Hydrophobie des Arrays und damit das Strömungsverhalten eines Fluids auf seiner Oberfläche. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn es sich bei dem Fluid um eine wässrige Lösung handelt, wie sie in der Regel in mikrofluidischen Vorrichtungen als Reaktionsflüssigkeit verwendet wird.
Besonders bevorzugt unterscheidet sich die Oberflächenrauigkeit zwischen zwei benachbarten Reihen, um einen Faktor, der im Bereich von 5 bis 50 liegt. Ein geringerer Faktor bewirkt nur eine geringe Vergleichmäßigung der Strömung. Ein höherer Faktor kann Tunneleffekte auslösen.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass eine Oberflächeneigenschaft eine Oberflächenprofilierung ist. Eine solche Oberflächenprofilierung, die auch als Mikrostrukturierung der Oberflächenrauigkeit oder gerichtete Rauigkeit verstanden werden kann, kann ebenfalls für eine Homogenisierung einer Fluidgrenzfläche beziehungsweise eines Einströmprofils verwendet werden.
Besonders bevorzugt ist die Oberflächenprofilierung in Form von Rillen ausgeführt. Dabei können sich benachbarte Reihen durch die Tiefe und/oder den Abstand und/oder die Ausrichtung der Rillen unterscheiden.
In einer Ausführungsform weist die Oberflächenprofilierung in einer Reihe Rillen auf, die orthogonal zu der Reihe verlaufen und in einer zu dieser Reihe benachbarten Reihe andere Rillen auf, die entlang jener Reihe verlaufen. Die Querrillen verstärken Pinning-Effekte innerhalb ihrer Reihe, während die Längsrillen Pinning-Effekte abmildern.
Die Rillen können insbesondere einen rechteckigen, einen dreieckigen oder einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen. Ihre Tiefe liegt insbesondere im Bereich von 10 µm bis 30 µm. Ein Abstand zweier innerhalb einer Reihe benachbarter Rillen liegt jeweils vorzugsweise im Bereich von 20 µm bis 100 µm. Die Festlegung der Oberflächenprofilierung sollte insbesondere unter Berücksichtigung der Betriebspunkte (Strömungsprofil) und der Fluideigenschaften (Kontaktwinkel) definiert werden.
Außerdem ist es bevorzugt, dass eine Oberflächeneigenschaft eine Oberflächenhöhe ist. Dadurch werden Kanäle im Array gebildet, welche einem über das Array strömenden Fluid eine Vorzugsrichtung geben und auf diese Weise das Quersprechen reduzieren.
Die Oberflächenhöhe unterscheidet sich zwischen zwei benachbarten Reihen besonders bevorzugt um einen Wert, der im Bereich von 50 µm bis 100 µm liegt. Dieser Höhenunterscheid ist einerseits ausreichend, um eine signifikante Verringerung des Quersprechens zu bewirken und andererseits nicht so groß, dass es zu einem Tunneln und Vorschießen von Fluid kommen könnte.
Die Breite der Reihen wird durch den Durchmesser der Vertiefungen vorgegeben, der insbesondere im Bereich von 250 µm bis 350 µm liegt. Die Breite liegt daher insbesondere im Bereich von 400 µm bis 500 µm.
Die mikrofluidische Vorrichtung weist mindestens eine Arraykammer auf, in der das voranstehend beschriebene Array angeordnet ist. Dabei verlaufen die Reihen parallel zu einer Strömungsrichtung eines Fluids.
Wenn eine Oberflächeneigenschaft des Arrays eine Oberflächenhöhe ist, dann ist es bevorzugt, dass sich die Oberflächenhöhe zwischen zwei benachbarten Reihen um einen Wert unterscheidet, der im Bereich von 10 % bis 20 % einer Kanalhöhe der Arraykammer liegt. Unter der Kanalhöhe wird dabei ein Abstand von einem höchsten Punkt des Arrays zu einer Oberseite der Arraykammer verstanden. Dieser Höhenunterschied ist vorteilhaft, um das Quersprechen signifikant zu reduzieren, ohne dabei Tunneleffekte auszulösen.
Bei der Arraykammer kann es sich insbesondere um eine Analysenkammer handeln, die oberhalb der Seite des Arrays ein transparentes Fenster aufweist, durch welches die Inhalte der Vertiefungen mittels optischer Methoden analysiert werden können.
Insbesondere kann die mikrofluidische Vorrichtung eine Kartusche sein, die dazu vorgesehen ist, um in ein mikrofluidisches Analysesystem eingesetzt zu werden. In einer solchen Kartusche sind Reagenzien vorgelagert und eine Probenflüssigkeit wird in die Kartusche eingeführt. Nach Durchführung chemischer Reaktionen und einer Analyse des Reaktionsergebnisses kann die Kartusche als Einwegartikel entsorgt werden, während andere Komponenten des Analysesystems, wie beispielsweise ein optischer Sensor, der nicht Bestandteil der Kartusche ist, wiederverwendet werden.
Insbesondere ist die mikrofluidische Vorrichtung zur Durchführung einer Amplifikationsreaktion, wie beispielsweise einer PCR-Reaktion oder einer rITA-Reaktion eingerichtet. Die Einrichtung erfolgt durch das Vorlagern von für die Amplifikationsreaktion benötigten Reagenzien.
In dem Verfahren zum Betreiben der mikrofluidischen Vorrichtung wird ein Fluid so durch die Arraykammer geführt, dass es entlang der Reihen über die Seite des Arrays strömt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1a zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer Arraykammer einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
1b zeigt eine Aufsicht auf die Arraykammer gemäß 1a.
2 zeigt eine Aufsicht auf eine Arraykammer einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Arraykammer einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 zeigt eine Aufsicht auf eine Arraykammer einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 zeigt eine Querschnittsansicht einer Arraykammer einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die 1a und 1b zeigen einen Ausschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik, die beispielsweise als Einwegkartusche für ein Analysesystem ausgeführt ist. Ein Zulaufkanal 11 verläuft in einer Fluidikschicht der mikrofluidischen Vorrichtung 10. Er wird stufenförmig in eine höher gelegene Arraykammer 12 umgeleitet. Diese mündet gegenüber der Einmündung des Zulaufkanals 11 in einen Ablaufkanal 13. In der Arraykammer 12 ist ein Array 20 angeordnet, welches beispielsweise aus Silizium besteht. Es weist an seine Oberseite vierundvierzig Vertiefungen 21 auf. Ein Fluid 30, bei dem es sich um eine wässrige Reaktionsflüssigkeit handelt, die eine biologische Probe enthält, strömt entlang einer Strömungsrichtung 31 durch den Zulaufkanal 11 in die Arraykammer 12 ein und überspült dabei das Array 20. Ein Teil des Fluids 30 befüllt dabei die Vertiefungen 21. Das restliche Fluid 30 wird durch den Ablaufkanal 13 aus der Arraykammer 12 abgeleitet.
In 2 ist eine Arraykammer 12 einer mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß mehreren Ausführungsbeispielen der Erfindung dargestellt. Im Unterschied zu der Arraykammer 12 der mikrofluidischen Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist in dieser Arraykammer 12 ein Array 20 angeordnet, welches abwechselnd Reihen 22, 23 mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften aufweist. Die Reihen 22, 23 verlaufen parallel zur Strömungsrichtung 31. Eine Breite der Reihen 22, 23 ist dabei so gewählt, dass jeweils eine Reihe von Vertiefungen 21 in einer dieser Reihen 22, 23 angeordnet ist. Die Breite beträgt beispielsweise 450 µm. Auch in Bereichen der Oberfläche des Arrays 20 in denen sich keine Vertiefungen 21 befinden, setzen sich die einander abwechselnden Reihen 22, 23 fort.
3 zeigt wie sich die Oberflächeneigenschaften der Reihen 22, 23 in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung voneinander unterscheiden. In einer ersten Gruppe von Reihen 22 ist die Oberfläche des Arrays 20 unmodifiziert und weist eine Oberflächenrauigkeit von 1 µm auf. In einer zweiten Gruppe von Reihen 23 wurde die Oberfläche des Arrays 20 aufgeraut. Die aufgerauten Bereiche 24 weisen eine Oberflächenrauigkeit von jeweils 20 µm auf.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in 4 dargestellt ist, weisen die Reihen 22 der ersten Gruppe jeweils Rillen 25 auf, die orthogonal zur Strömungsrichtung 31 verlaufen. Die Reihen 23 der zweiten Gruppe weisen jeweils Rillen 26 auf, die parallel zur Strömungsrichtung 31 verlaufen. Alle Rillen 25, 26 haben im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen halbkreisförmigen Querschnitt und weisen eine Tiefe von 15 µm auf. Zwei innerhalb einer Reihe 22, 23 benachbarte Rillen 25, 26 sind jeweils um 50 µm voneinander beanstandet.
5 zeigt eine Arraykammer 12 einer mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zwischen dem höchsten Punkt der Oberseite des Arrays 20 und der Oberseite der Arraykammer 12 ist eine Kanalhöhe H von 500 µm frei. Die Oberflächen der Reihen 22 der ersten Gruppe ist jeweils um einen Wert h von 75 µm gegenüber den Reihen 23 der zweiten Gruppe abgesenkt. Hierdurch sind die Reihen 22 der ersten Gruppe als Kanäle ausgeführt, die entlang der Strömungsrichtung 31 über die gesamte Länge des Arrays 20 verlaufen.
Die Breite b der Reihen 22, 23 beträgt in allen Ausführungsbeispielen beispielsweise 450 µm.
Mehrere der Oberflächenmodifikationen gemäß dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung können in einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung 10 miteinander kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018204624 A1 [0002]

Claims

Array (20) für eine mikrofluidische Vorrichtung (10), aufweisend Vertiefungen (21), die in parallelen Reihen (22, 23) in einer Seite des Arrays (20) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Seite in benachbarten Reihen (22, 23) jeweils mindestens eine unterschiedliche Oberflächeneigenschaft aufweist.
Array (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihen (22, 23) abwechselnd einer ersten Gruppe und einer zweiten Gruppe angehöhren, wobei die Seite in den Reihen (22) der ersten Gruppe mindestens eine erste Oberflächeneigenschaft aufweist und in den Reihen (23) der zweiten Gruppe mindestens eine zweite Oberflächeneigenschaft aufweist.
Array (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächeneigenschaft eine Oberflächenrauigkeit ist.
Array (20) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauigkeit sich zwischen benachbarten Reihen (22, 23) um einen Faktor unterscheidet, der im Bereich von 5 bis 50 liegt.
Array (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächeneigenschaft eine Oberflächenprofilierung ist.
Array (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenprofilierung Rillen (25, 26) aufweist, die sich in benachbarten Reihen durch ihre Tiefe und/oder ihren Abstand und/oder ihre Ausrichtung unterscheiden.
Array (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächeneigenschaft eine Oberflächenhöhe ist.
Array (20) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenhöhe sich zwischen zwei benachbarten Reihen um einen Wert (h) unterscheidet, der im Bereich von 50 µm bis 100 µm liegt.
Mikrofluidische Vorrichtung (10), aufweisend mindestens eine Arraykammer (12), in der ein Array (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 so angeordnet ist, dass die Reihen (22, 23) parallel zu einer Strömungsrichtung (31) eines Fluids (30) verlaufen.
Mikrofluidische Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Array nach Anspruch 7 oder 8 aufweist, wobei sich die Oberflächenhöhe zwischen zwei benachbarten Reihen um einen Wert (h) unterscheidet, der im Bereich von 10 % bis 20 % einer Kanalhöhe (H) der Arraykammer (12) liegt.